一种水下自张紧式生产输送立管系统及其安装方法与流程

本发明涉及海洋油气开发技术领域的干式采油平台，具体涉及一种应用于超深水海域环境下干式采油平台的生产立管系统及其安装方法。

背景技术：

目前，适用于深海油气开发的干式采油平台有两种：TLP平台和Spar平台。干式采油平台的适配型生产立管系统为顶张紧式立管(Top Tensioned Riser，简称TTR)。现行TTR的结构型式采用双层套管式立管(外层保护管、内层保护管及生产输送管)或单层套管式立管(外层保护管及生产输送管)。套管的主要作用是预防生产输送管的泄露导致的海洋环境污染与压力完整性的失衡。由于套管自重远大于生产输送管，因此双层套管式立管与单层套管式立管均需要巨大的顶张紧力进行支撑。对于TLP平台，TTR的顶张紧力由TLP平台的主体浮力直接承担，因此加大了TLP平台的主体尺寸及自重，限制了TLP平台在更深海域的发展应用。对于Spar平台，TTR的顶张紧力由顶部浮力罐承担，因此加大了浮力罐的主体尺寸，进一步地加大了Spar平台的主体尺寸及自重。

为了降低TTR在超深海油气开发应用中的自重，文献OTC15100(George Z.Gu,Rod Myers,Robert Sokoll,Joe Jin,Kevin Huang.Technical Feasibility of Tubing Risers.Offshore Technology Conference,Houston,2003.)首次提出了一种解决方案。在该方案中，TTR的结构型式仅具有生产输送管，而无外层保护管和内层保护管；控制管缆平行或缠绕布置在生产输送管外缘。然而，该技术方案具有以下技术局限性：

1、生产输送立管受灾害性海洋环境要素(强风、巨浪和海面强流)作用，生产输送立管易发生干涉、波致疲劳损伤和VIV疲劳损伤等，进而导致生产输送立管发生破裂及原油泄漏；

2、外层保护管及内层保护管的缺失导致生产输送管的轴向刚度大大降低，为满足相邻生产输送立管的干涉要求，需加大生产输送立管的顶部设计间距，为此需增加干式采油平台的甲板面积，加大干式采油平台的主体尺寸；

3、缺少外层保护管及内层保护管，热膨胀导致生产输送管伸长1.2m左右，为此需增加干式采油平台的甲板高度，加大干式采油平台的主体尺寸；

4、外层保护管及内层保护管的缺失导致控制管缆无保护通道，控制管缆需平行或缠绕布置在生产输送管的外缘，进而导致生产输送管横截面的非对称，从而引发复杂的驰振破坏问题。

技术实现要素：

为了解决现行生产输送立管技术在超深海油气开发应用中存在的上述问题，本发明要提供一种实现以下目的的水下自张紧式生产输送立管系统及其安装方法：

1、防止生产输送管破裂及原油泄漏；

2、防止生产输送管发生驰振破坏；

3、减小干式采油平台的主体尺寸。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水下自张紧式生产输送立管系统，包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒和系泊装置；

所述的生产立管组件包括柔性生产立管与刚性生产立管，所述的控制立管组件包括刚性保护管和柔性控制管缆，所述的组合浮筒包括内层浮筒和外层浮筒；所述的外层浮筒内设置多个内层浮筒；

所述的外层浮筒主体为圆柱体结构，外层浮筒外壁下部边缘连接四个悬臂浮筒，四个悬臂浮筒沿周向均布，呈辐射状，悬臂浮筒末端采用桁架悬臂，桁架悬臂的外端连接系泊缆绳，外层浮筒由四根系泊缆绳系泊在海床的桩基上；外层浮筒内竖直设置多个圆柱形通道，用于安装多个内层浮筒；圆柱形通道内壁沿圆周均布四条竖直滑道，滑道贯穿整个圆柱形通道内壁；在相邻两滑道之间的内壁中央，离外层浮筒底端1/3高度处设置限位体A；

所述的内层浮筒主体为圆柱体结构，其外径小于圆柱形通道的直径，内层浮筒外壁沿圆周均布四个竖直凸出体，凸出体宽度B1小于圆柱形通道内的滑道的宽度B，凸出体与内层浮筒等高；所述的凸出体位于圆柱形通道内的滑道中；在相邻两凸出体之间的外壁中央，离内层浮筒底端1/2高度处设置有限位体B，限位体B与位于圆柱形通道内的限位体A相配合，限制内层浮筒与外层浮筒的相对竖直运动；

所述的刚性生产立管的顶端穿过内层浮筒的立管通道，并与内层浮筒顶部连接；所述的刚性生产立管的底端连接应力接头，应力接头的底端连接海底井口球形阀；所述的井口球形阀与海底井口头连接，并集成控制模块A；所述的井口球形阀在工作状态下，与刚性生产立管联通；在紧急情况下旋转90度，关闭刚性生产立管与海底井口头的连接通道；所述的柔性生产立管的底端与刚性生产立管顶端连接，所述的柔性生产立管的顶端与干式采油树连接；所述的干式采油树位于干式采油平台的甲板上；

所述的刚性保护管的顶端穿过内层浮筒的立管通道，并与内层浮筒顶部连接；所述的柔性控制管缆由上段管缆和下段管缆组成，所述的刚性保护管为下段管缆提供安装与保护通道；所述的刚性保护管顶端设置管缆接头，上段管缆和下段管缆通过管缆接头连接；所述的刚性保护管底端与应力接头连接，应力接头的底端与控制模块B连接，控制模块B的底端固定在刚性保护管基座上；所述的柔性控制管缆用于控制井下化学试剂注入，进行井下压力和温度信息采集，控制井下安全阀的闭合以及控制井口球形阀的闭合；所述的柔性控制管缆的顶端与控制中心连接、其底端穿过刚性保护管与控制模块B连接；所述的控制中心位于干式采油平台的甲板上；

所述的外层浮筒与系泊装置连接；

所述的控制模块A与控制模块B之间通过飞线连接，所述的飞线为信号线缆。

进一步地，所述的控制立管组件一组对应生产立管组件二至四组。

进一步地，所述的组合浮筒浮筒浸没于海面下30～200m深度处。

进一步地，所述的凸出体正面设置有两个滚筒装置，分别位于凸出体正面长边的两个三等分高度处，所述的滚筒装置由滚筒、转轴和支座组成，转轴轴线垂直于凸出体侧面，支座长度与凸出体正面的宽度B1相等，滚筒通过转轴安装在支座上；滚筒与滑道底面滚动接触。

进一步地，所述的悬臂浮筒为矩形截面悬臂浮筒。

进一步地，所述的滑道的横截面为矩形截面；所述的凸出体的横截面为矩形截面。

进一步地，所述的限位体A为矩形体，每个圆柱形通道内均有4个，沿圆柱形通道内壁周向均布，并处在圆柱形通道内壁同一高度处；所述的限位体B为矩形体，每个内层浮筒上均有4个，沿内层浮筒外壁周向均布，并处在内层浮筒外壁同一高度处；当内层浮筒和外层浮筒的中心等高时，限位体B与限位体A之间留有1至2米的间距。

一种水下自张紧式生产输送立管系统的安装方法，包括以下步骤：

A、预备工作：

A1、将外层浮筒吊装置于半潜船主甲板上，再将内层浮筒吊至圆柱形通道的正上方，调整内层浮筒的位置和角度，直至内层浮筒的四个凸出体分别对准圆柱形通道上的四条滑道，将内层浮筒下放至圆柱形通道之中；

A2、重复A1步骤操作，依次完成所有内层浮筒的就位；内层浮筒与外层浮筒在岸上组合完成，构成组合浮筒；

B、组合浮筒的就位与下沉：

B1、利用半潜船将组合浮筒拖曳至安装地点，各工作船就位；在外层浮筒上连接常规安装作业方法用的缆绳和锚链等，半潜船加压载水下沉并开离，组合浮筒浮在海面上；

B2、同时向各个内层浮筒压载舱内注水，内层浮筒在重力作用下缓慢下沉，直至内层浮筒上的四个限位体B分别与外层浮筒上的四个限位体A接触；继续向各个内层浮筒压载舱注水至设计量，该设计量的压载水使得内层浮筒完全没入水中时其重力G₁仍大于浮力F₁，在此过程中外层浮筒在各个内层浮筒的拖曳下随内层浮筒一起缓慢下沉至停止，组合浮筒浮在海面上；

B3、向外层浮筒压载舱内注水至设计量，该设计量的压载水使得外层浮筒完全没入水中时其浮力F₂大于重力G₂，在此过程中外层浮筒在各个内层浮筒的拖曳下随内层浮筒一起缓慢下沉直至外层浮筒完全没入水中；

B4、当组合浮筒完全没入水中时，在竖直方向上的受力状态为：外层浮筒的浮力F₂大于其重力G₂，内层浮筒的重力G₁大于其浮力F₁，且所有内层浮筒的净浮力之和N(G₁-F₁)大于外层浮筒的净浮力F₂-G₂，其中N为内层浮筒个数，即N(G₁-F₁)>(F₂-G₂)；在这种受力情况下，内层浮筒能够拖曳外层浮筒稳定下沉，在这种受力情况下，内层浮筒能够拖曳外层浮筒稳定下沉，且在下沉过程中限位体B与限位体A紧密接触，外层浮筒与内层浮筒不会有相对运动；

C、组合浮筒的水下安装：

组合浮筒下沉至目标深度后，外层浮筒的桁架悬臂与相应的系泊装置连接，定位于海床；外层浮筒充入压缩气体，外层浮筒上浮，张紧系泊缆绳；在此过程中，限位体A与限位体B相互作用，内层浮筒在外层浮筒限位体A的作用下共同上浮；

D、刚性生产立管与刚性保护管的水下安装

D1、逐个安装刚性生产立管：通过干式采油平台吊装刚性生产立管，使刚性生产立管的底端通过相应内层浮筒的立管通道和井口球形阀与海底井口头连接、刚性生产立管顶端与内层浮筒的顶部连接；

D2、先将柔性控制管缆的下段管缆通过管缆接头安装在刚性保护管内，再通过干式采油平台吊装刚性保护管，使刚性保护管的底端通过相应内层浮筒的立管通道和控制模块B与刚性保护管基座连接、刚性保护管的顶端与内层浮筒的顶部连接；

D3、向内层浮筒内注入氮气，使内层浮筒沿滑道上浮，同时张紧刚性生产立管和刚性保护管，内层浮筒浮至设计位置，即内层浮筒与外层浮筒的中心等高，限位体B与限位体A之间留有1至2米的间距；

E、柔性生产立管与柔性控制管缆的水下安装

E1、通过干式采油平台吊装柔性生产立管，使柔性生产立管底端与刚性生产立管顶端连接、柔性生产立管顶端与位于干式采油平台甲板上的干式采油树连接；

E2、通过干式采油平台吊装柔性控制管缆，使柔性控制管缆的上段管缆底端与刚性保护管顶端的管缆接头连接、上段管缆顶端与位于干式采油平台甲板的控制中心连接。

至此，一种水下自张紧式生产输送立管系统安装完毕。

相对于现行生产输送立管系统，本发明具有以下显著的技术进步性：

1、本发明的柔性控制管缆的下段管缆统一集成装配于刚性保护管内，避免了下段管缆在刚性生产立管外缘的布置，避免了刚性生产立管横截面的非对称，从而避免引发复杂的驰振破坏问题。

2、本发明的组合浮筒包括外层浮筒和内层浮筒，内层浮筒可沿外层浮筒的滑道自由升降，满足刚性生产立管的热膨胀要求；无需增加干式采油平台的甲板高度及主体尺寸。

3、本发明的外层浮筒负责提供系泊缆绳张紧力，各个内层浮筒分别负责提供相应的单根刚性生产立管或刚性保护管的顶张紧力，实现了系泊装置与所有立管的垂向受力以及运动的解耦，也实现了各个立管之间的受力以及运动的解耦；因此，在外部环境载荷作用下，组合浮筒发生偏移，不会引起系泊缆绳和刚性生产立管顶张紧力的二次分配，刚性生产立管的顶张紧力易于满足在位服役要求，提高刚性生产立管的在位性能要求。

4、本发明在使用期间，可以对其中一个内层浮筒(或其上部安装的采油设备)进行回收和维修，而不影响其它采油设备正常工作；可以对各内层浮筒(刚性立管)进行依次回收，保障了回收过程的安全。

5、本发明的刚性生产立管位于海面下30～200m深度处，减小了海面灾害性海洋环境要素(强风、巨浪和强流)作用，降低了关井频率，因此单一的井口球形阀可以作为生产井控装置，无需使用复杂且造价高昂的采油树作为井控装置，在紧急情况下旋转90度即可关闭刚性生产立管的油气输送通道，操作简单可行、造价低廉。

6、本发明采用单一的井口球形阀作为生产井控装置，无需使用体积巨大的采油树，井口球形阀可与刚性生产立管的安装同时进行，安装简易，缩短安装周期，降低作业成本。

7、本发明的刚性生产立管位于海面下30～200m深度处，减小了海面灾害性海洋环境要素(强风、巨浪和强流)作用，降低了相邻刚性生产立管发生碰撞的概率，同时减小了波致疲劳损伤和VIV致疲劳损伤，从而降低了刚性生产立管发生破裂及原油泄漏概率。

附图说明

本发明共有附图10张，其中：

图1是本发明的整体结构示意图(正视图)。

图2是本发明的生产输送立管与控制立管的结构示意图(正视图)。

图3是外层浮筒的结构示意图。

图4是外层浮筒的剖视图。

图5是内层浮筒的结构示意图。

图6是滚轮装置的剖视图。

图7是组合浮筒的俯视图。

图8是内层浮筒置于圆柱形通道之中的细节图。

图9是组合浮筒的剖视图。

图10是内层浮筒限位体B与外层浮筒限位体A相互作用示意图。

图中：1、外层浮筒，2、桁架悬臂，3、圆柱形通道，4、滑道，5、限位体A，6、内层浮筒，7、凸出体，8、限位体B，9、立管通道，10、滚筒，11、转轴，12、支座，14、系泊装置，15、组合浮筒，20、海面，21、海床，22、干式采油树，23、控制中心，25、干式采油平台，30、柔性控制管缆，31、柔性生产立管，40、刚性保护管，41、刚性生产立管，42、应力接头，43、海底井口头，44、刚性保护管基座，45、井口球形阀，46、控制模块A，47、控制模块B，48、飞线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-10所示，本发明以具有四根刚性生产立管和一根控制立管为例进行描述。一种水下自张紧式生产输送立管系统，包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒15和系泊装置14；

所述的生产立管组件包括柔性生产立管31与刚性生产立管41，所述的控制立管组件包括刚性保护管40和柔性控制管缆30，所述的组合浮筒15包括内层浮筒6和外层浮筒1；所述的外层浮筒1内设置多个内层浮筒6；

所述的外层浮筒1主体为圆柱体结构，外层浮筒1外壁下部边缘连接四个悬臂浮筒，四个悬臂浮筒沿周向均布，呈辐射状，悬臂浮筒末端采用桁架悬臂2，桁架悬臂2的外端连接系泊缆绳，外层浮筒1由四根系泊缆绳系泊在海床21的桩基上；外层浮筒1内竖直设置多个圆柱形通道3，用于安装多个内层浮筒6；圆柱形通道3内壁沿圆周均布四条竖直滑道4，滑道4贯穿整个圆柱形通道3内壁；在相邻两滑道4之间的内壁中央，离外层浮筒1底端1/3高度处设置限位体A5；

所述的内层浮筒6主体为圆柱体结构，其外径小于圆柱形通道3的直径，内层浮筒6外壁沿圆周均布四个竖直凸出体7，凸出体7宽度B1小于圆柱形通道3内的滑道4的宽度B，凸出体7与内层浮筒6等高；所述的凸出体7位于圆柱形通道3内的滑道4中；在相邻两凸出体7之间的外壁中央，离内层浮筒6底端1/2高度处设置有限位体B8，限位体B8与位于圆柱形通道3内的限位体A5相配合，限制内层浮筒6与外层浮筒1的相对竖直运动；

所述的刚性生产立管41的顶端穿过内层浮筒6的立管通道9，并与内层浮筒6顶部连接；所述的刚性生产立管41的底端连接应力接头42，应力接头42的底端连接海底井口球形阀45；所述的井口球形阀45与海底井口头43连接，并集成控制模块A46；所述的井口球形阀45在工作状态下，与刚性生产立管41联通；在紧急情况下旋转90度，关闭刚性生产立管41与海底井口头43的连接通道；所述的柔性生产立管31的底端与刚性生产立管41顶端连接，所述的柔性生产立管31的顶端与干式采油树22连接；所述的干式采油树22位于干式采油平台25的甲板上；

所述的刚性保护管40的顶端穿过内层浮筒6的立管通道9，并与内层浮筒6顶部连接；所述的柔性控制管缆30由上段管缆和下段管缆组成，所述的刚性保护管40为下段管缆提供安装与保护通道；所述的刚性保护管40顶端设置管缆接头，上段管缆和下段管缆通过管缆接头连接；所述的刚性保护管40底端与应力接头42连接，应力接头42的底端与控制模块B47连接，控制模块B47的底端固定在刚性保护管基座44上；所述的柔性控制管缆30用于控制井下化学试剂注入，进行井下压力和温度信息采集，控制井下安全阀的闭合以及控制井口球形阀45的闭合；所述的柔性控制管缆30的顶端与控制中心23连接、其底端穿过刚性保护管40与控制模块B47连接；所述的控制中心23位于干式采油平台25的甲板上；

所述的外层浮筒1与系泊装置14连接；

所述的控制模块A46与控制模块B47之间通过飞线48连接，所述的飞线48为信号线缆。

进一步地，所述的控制立管组件一组对应生产立管组件二至四组。

进一步地，所述的组合浮筒15浮筒浸没于海面20下30～200m深度处。

进一步地，所述的凸出体7正面设置有两个滚筒装置，分别位于凸出体7正面长边的两个三等分高度处，所述的滚筒装置由滚筒10、转轴11和支座12组成，转轴11轴线垂直于凸出体7侧面，支座12长度与凸出体7正面的宽度B1相等，滚筒10通过转轴11安装在支座12上；滚筒10与滑道4底面滚动接触。

进一步地，所述的悬臂浮筒为矩形截面悬臂浮筒。

进一步地，所述的滑道4的横截面为矩形截面；所述的凸出体7的横截面为矩形截面。

进一步地，所述的限位体A5为矩形体，每个圆柱形通道3内均有4个，沿圆柱形通道3内壁周向均布，并处在圆柱形通道3内壁同一高度处；所述的限位体B8为矩形体，每个内层浮筒6上均有4个，沿内层浮筒6外壁周向均布，并处在内层浮筒6外壁同一高度处；当内层浮筒6和外层浮筒1的中心等高时，限位体B8与限位体A5之间留有1至2米的间距。

一种水下自张紧式生产输送立管系统的安装方法，包括以下步骤：

A、预备工作：

A1、将外层浮筒1吊装置于半潜船主甲板上，再将内层浮筒6吊至圆柱形通道3的正上方，调整内层浮筒6的位置和角度，直至内层浮筒6的四个凸出体7分别对准圆柱形通道3上的四条滑道4，将内层浮筒6下放至圆柱形通道3之中；

A2、重复A1步骤操作，依次完成所有内层浮筒6的就位；内层浮筒6与外层浮筒1在岸上组合完成，构成组合浮筒15；

B、组合浮筒15的就位与下沉：

B1、利用半潜船将组合浮筒15拖曳至安装地点，各工作船就位；在外层浮筒1上连接常规安装作业方法用的缆绳和锚链等，半潜船加压载水下沉并开离，组合浮筒15浮在海面20上；

B2、同时向各个内层浮筒6压载舱内注水，内层浮筒6在重力作用下缓慢下沉，直至内层浮筒6上的四个限位体B8分别与外层浮筒1上的四个限位体A5接触；继续向各个内层浮筒6压载舱注水至设计量，该设计量的压载水使得内层浮筒6完全没入水中时其重力G₁仍大于浮力F₁，在此过程中外层浮筒1在各个内层浮筒6的拖曳下随内层浮筒6一起缓慢下沉至停止，组合浮筒15浮在海面20上；

B3、向外层浮筒1压载舱内注水至设计量，该设计量的压载水使得外层浮筒1完全没入水中时其浮力F₂大于重力G₂，在此过程中外层浮筒1在各个内层浮筒6的拖曳下随内层浮筒6一起缓慢下沉直至外层浮筒1完全没入水中；

B4、当组合浮筒15完全没入水中时，在竖直方向上的受力状态为：外层浮筒1的浮力F₂大于其重力G₂，内层浮筒6的重力G₁大于其浮力F₁，且所有内层浮筒6的净浮力之和NG₁-F₁大于外层浮筒1的净浮力F₂-G₂，其中N为内层浮筒6个数，即NG₁-F₁>F₂-G₂；在这种受力情况下，内层浮筒6能够拖曳外层浮筒1稳定下沉，在这种受力情况下，内层浮筒6能够拖曳外层浮筒1稳定下沉，且在下沉过程中限位体B8与限位体A5紧密接触，外层浮筒1与内层浮筒6不会有相对运动；

C、组合浮筒15的水下安装：

组合浮筒15下沉至目标深度后，外层浮筒1的桁架悬臂2与相应的系泊装置14连接，定位于海床21；外层浮筒1充入压缩气体，外层浮筒1上浮，张紧系泊缆绳；在此过程中，限位体A5与限位体B8相互作用，内层浮筒6在外层浮筒1限位体A5的作用下共同上浮；

D、刚性生产立管41与刚性保护管40的水下安装

D1、逐个安装刚性生产立管41：通过干式采油平台25吊装刚性生产立管41，使刚性生产立管41的底端通过相应内层浮筒6的立管通道9和井口球形阀45与海底井口头43连接、刚性生产立管41顶端与内层浮筒6的顶部连接；

D2、先将柔性控制管缆30的下段管缆通过管缆接头安装在刚性保护管40内，再通过干式采油平台25吊装刚性保护管40，使刚性保护管40的底端通过相应内层浮筒6的立管通道9和控制模块B47与刚性保护管基座44连接、刚性保护管40的顶端与内层浮筒6的顶部连接；

D3、向内层浮筒6内注入氮气，使内层浮筒6沿滑道4上浮，同时张紧刚性生产立管41和刚性保护管40，内层浮筒6浮至设计位置，即内层浮筒6与外层浮筒1的中心等高，限位体B8与限位体A5之间留有1至2米的间距；

E、柔性生产立管31与柔性控制管缆30的水下安装

E1、通过干式采油平台25吊装柔性生产立管31，使柔性生产立管31底端与刚性生产立管41顶端连接、柔性生产立管31顶端与位于干式采油平台25甲板上的干式采油树22连接；

E2、通过干式采油平台25吊装柔性控制管缆30，使柔性控制管缆30的上段管缆底端与刚性保护管40顶端的管缆接头连接、上段管缆顶端与位于干式采油平台25甲板的控制中心23连接。

至此，一种水下自张紧式生产输送立管系统安装完毕。

本发明维修时，干式采油树22仅支持生产阶段的井口作业，相应的干式修井作业进行时须将将柔性控制管缆30和柔性生产立管31回收，再换上刚性生产立管41，重新建立内层浮筒6与干式采油平台25的联系通道。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。